Radar FMCW

thumb|Zasada działania radaru FMCW (przykładowa modulacja piłokształtna).

Radar FMCW (ang. frequency-modulated continuous-wave radar, FM-CW) – rodzaj radaru z falą ciągłą, w którym częstotliwość sygnału nadawanego jest modulowana w czasie (najczęściej liniowo, w postaci sygnału typu chirp). Informacja o zasięgu jest uzyskiwana z różnicy częstotliwości pomiędzy sygnałem nadanym i odebranym po odbiciu od celu (tzw. częstotliwości dudnień, ) po zmieszaniu sygnałów w odbiorniku.

Radary FMCW są stosowane w aplikacjach krótkiego zasięgu, m.in. w wysokościomierzach radiolokacyjnych, radarach samochodowych oraz systemach detekcji i monitorowania obiektów w otoczeniu (np. czujniki obecności lub pomiar parametrów życiowych).

Zastosowania radarów z falą ciągłą z modulacją częstotliwości były rozwijane już w latach 20. XX wieku, a jeden z pierwszych patentów dotyczących tej techniki (pomiar wysokości) został zgłoszony w 1928 r..

Zasada działania W radarze FMCW nadajnik emituje falę ciągłą, której częstotliwość jest przestrajana w czasie (np. liniowo od do w czasie ). Echo od celu jest opóźnione o czas przelotu (dla radaru monostatycznego: , gdzie to odległość, a – prędkość światła). W odbiorniku sygnał odebrany jest mieszany z kopią sygnału nadawanego (układ homodynowy/heterodynowy), a po filtracji pozostaje składowa na częstotliwości równej różnicy częstotliwości sygnałów (częstotliwość dudnień), która – przy liniowym przestrajaniu – jest proporcjonalna do opóźnienia, a więc do zasięgu.

Dla idealnie liniowej zmiany częstotliwości w czasie (nachylenie chirpu ) zasięg można zapisać w postaci: gdzie jest zmierzoną różnicą częstotliwości pomiędzy sygnałem nadanym i odebranym (po mieszaniu).

Przebiegi modulacji thumb|Zasada działania radaru FMCW z przebiegiem trójkątnym modulacji (wpływ Dopplera).

Stosuje się m.in. modulację piłokształtną (rampa) oraz trójkątną (rampa „w górę” i „w dół”). W przypadku modulacji piłokształtnej składowa Dopplera nie jest jednoznacznie rozdzielana od składowej zasięgowej i może powodować błąd estymacji odległości (jest „dodana” do częstotliwości dudnień). Przy modulacji trójkątnej wykorzystuje się dwie rampy o przeciwnym nachyleniu, co umożliwia rozdział składowej zasięgu i prędkości radialnej na podstawie częstotliwości dudnień dla odcinka „w górę” i „w dół”.

Pomiar zasięgu i prędkości Częstotliwość dudnień po wyjściu z mieszacza jest wyznaczana w torze cyfrowym przez analizę widma (np. FFT). W praktyce pomiar prędkości radialnej realizuje się przez analizę zmian fazy lub częstotliwości w sekwencji kolejnych chirpów (wielochirpowy pomiar Dopplera).

W radarach wieloantenowych (np. z układem MIMO) możliwe jest równoczesne estymowanie zasięgu i kąta nadejścia echa poprzez budowę macierzy „zasięg–kąt” i zastosowanie algorytmów estymacji częstotliwości w dwóch wymiarach (np. 2D-FFT).

Rozdzielczość i zasięg jednoznaczny Rozdzielczość zasięgu zależy od szerokości przestrajania częstotliwości (sweep bandwidth) :

W dokumentacji technicznej radarów milimetrowych rozdzielczość zasięgu jest definiowana jako zdolność rozróżniania dwóch obiektów o zbliżonych odległościach, a osiągalne wartości zależą od parametrów sygnału i toru odbiorczego.

Maksymalny zasięg jednoznaczny w praktycznych implementacjach FMCW jest ograniczany przez maksymalną mierzalną częstotliwość dudnień (pasmo toru IF, filtr dolnoprzepustowy i parametry próbkowania przetwornika ADC).

Tor radiowy i przetwarzanie sygnału Typowy tor FMCW obejmuje generator/VCO realizujący przestrajanie częstotliwości, rozdzielenie sygnału na gałąź nadawczą i odniesienia (LO, oscylator lokalny), tor odbiorczy z wzmacniaczem o małym szumie (LNA), mieszacz (mnożenie sygnału odebranego przez sygnał odniesienia), filtrację oraz digitalizację i przetwarzanie w dziedzinie cyfrowej. Wyznaczanie zasięgu opiera się na detekcji maksimum w widmie częstotliwości dudnień, a estymacja parametrów (zasięg, prędkość, kąt) wykorzystuje obróbkę sekwencji chirpów i kanałów odbiorczych.

Powiązanie z radarami LPI Radary FMCW są często łączone z koncepcją radaru LPI (low probability of intercept), tj. projektowaniem emisji w sposób utrudniający jej wykrycie i przechwycenie przez pasywny odbiornik przechwytujący. Autor wyróżnia też pojęcie radaru LPID (low probability of identification) – w tym ujęciu chodzi o utrudnienie nie tylko wykrycia emisji, ale i poprawnej identyfikacji parametrów oraz typu radaru przez odbiornik przechwytujący.

Wśród przykładowych środków przypisywanych w tym ujęciu do wymagań LPI wymieniono m.in. anteny o bardzo niskich listkach bocznych, optymalizację wzorców skanowania (w tym czasów świecenia wiązki), stosowanie emisji CW zamiast impulsowej, sterowanie mocą nadawania oraz wykorzystanie dużych szerokości pasma i zwinności częstotliwości; wskazano też, że użycie wysokich częstotliwości (fale milimetrowe) jest w tym podejściu szczególnie właściwe dla systemów krótkiego zasięgu.

Przebiegi modulacji W opisie przebiegów FMCW, obok modulacji piłokształtnej i trójkątnej, wyróżnia się także modulację segmentowaną (segmentowany przebieg liniowy).

Zasada działania (doprecyzowanie) Radar FMCW różni się od radaru impulsowego tym, że sygnał elektromagnetyczny jest nadawany w sposób ciągły, a częstotliwość sygnału jest przestrajana w czasie w pewnym paśmie; informacja o zasięgu i prędkości jest wyznaczana z różnicy częstotliwości pomiędzy sygnałem nadanym i odebranym po ich zmieszaniu w odbiorniku. W tym ujęciu czas przelotu do obiektu nie jest mierzony bezpośrednio; zamiast tego wykorzystuje się sygnał dudnień w paśmie niskich częstotliwości po mieszaniu (dechirp).

Tor radiowy (doprecyzowanie) W implementacjach FMCW spotyka się konfigurację ze wspólną anteną z użyciem cyrkulatora, a także rozwiązania z dwiema oddzielnymi antenami (nadawczą i odbiorczą), dla których istotnym zagadnieniem jest zapewnienie odpowiedniej izolacji pomiędzy torami TX i RX.

Pomiar zasięgu i prędkości (doprecyzowanie dla przebiegu trójkątnego) W modelu FMCW uwzględnia się opóźnienie dwudrogowe oraz przesunięcie Dopplera (dla składowej radialnej), co powoduje, że częstotliwość sygnału dudnień zależy zarówno od zasięgu, jak i od ruchu celu. Dla przebiegu trójkątnego (rampa w górę i w dół) można wykorzystać dwie zmierzone częstotliwości dudnień dla narastania i opadania, co pozwala rozdzielić składową zasięgową i dopplerowską; w analizie sygnału wskazano też praktyczne pozyskiwanie tych częstotliwości m.in. metodami widmowymi (np. FFT).

Rozdzielczość i clutter (uzupełnienie) W ujęciu porównawczym autor wskazuje, że FMCW może osiągać bardzo duże „współczynniki kompresji” w przetwarzaniu zasięgu (rzędu 50 000 w zestawieniu z ok. 1 000 dla radarów chirp-pulse), co wiąże z bardzo wąskimi komórkami zasięgu oraz mniejszą podatnością na zakłócenia od clutter.

Zobacz też Radar impulsowy Radar dopplerowski Sygnały świergotowe Modulacja częstotliwości Dudnienie

Przypisy

Bibliografia

Kategoria:Radary